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TEORÍAS Y MODELOSATÓMICOS DE LA MATERIA

Desde la antigüedad, el ser humano seha cuestionado de qué estaba hecha lamateria.

Unos 400 años a.C., los filósofos griegosLeucipo y Demócrito consideraron que lamateria estaba constituida porpequeñísimas partículas que no podíanser divididas en otras más pequeñas. Porello, llamó a estas partículas átomos,que en griego quiere decir "indivisible".

Demócrito atribuyó a los átomos lascualidades de ser eternos, inmutables eindivisibles.

Demócrito 460 – 360 a.C.

1808 John Dalton

1. TEORÍA DE DALTON

La materia está formada porátomos: pequeños, indivisibles eindestructibles, como bolitas deacero.

En 1808, Daltonpublicó sus ideassobre el modeloatómico de lamateria.

Los principiosfundamentales deesta teoría son:

1. La materia está formada porminúsculas partículas indivisiblesllamadas átomos.

2. Todos los átomos de unelemento poseen las mismaspropiedades químicas. Los átomosde elementos distintos tienenpropiedades diferentes.

3.Los compuestos seforman al combinarselos átomos de dos o máselementos enproporciones fijas ysencillas..

4.En las reaccionesquímicas, los átomos seintercambian de una a otrasustancia.

Aportes:

- Los átomos se combinan en una razón de números enteros.- En una reacción química no existe pérdida de masa.- Un compuesto debe tener una composición constante enmasa.

Limitaciones:

- Propone que el átomo es indivisible.- Postula que los átomos de un mismo elemento son iguales.- Presenta inconvenientes para representar las sustancias

diatómicas.

2. MODELO ATÓMICO DE THOMSON

1897 Joseph Thomson Demostró la existencia de loselectrones.Dedujo que el átomo debía de seruna esfera de materia cargadapositivamente, en cuyo interiorestaban incrustados loselectrones.

2.1. TUBO DE RAYOS CATÓDICOS

William Crookes (1875)

Al someter un gas a baja presión a un voltaje elevado, ésteemitía unas radiaciones desde el cátodo hacia el ánodo, losque llamó rayos catódicos.

La luminosidad producida por losrayos catódicos siempre se produceen la pared del tubo situada frente alcátodo (línea recta).

Los rayos catódicos hacen girar una rueda depalas ligeras interpuesta en su trayectoria.(poseen masa)

Los rayos catódicos son desviados por laacción de campos eléctricos ymagnéticos. Frente a un campo eléctricose desvían hacia la placa positiva.

2.1.1. Propiedades de los rayos catódicos

- Los experimentos con los rayos catódicos habían puesto demanifiesto que los átomos no eran indivisibles tal y como habíapropuesto Dalton, y que había partículas más pequeñas que elátomo y de carga negativa.

- 2.3. LIMITACIONES

Fue incapaz de explicar e interpretar algunas propiedades delos átomos, como el origen de los espectros atómicos o a laemisión de partículas gamma ().

2.2. APORTES

La década de 1895 a 1905 fue particularmente pródiga endescubrimientos que hicieron posible nuestro entendimiento actualde la composición de la materia. El estudio entre la interacción de lamateria y las radiaciones abrió nuevas sendas en la investigación.

EN 1895 EL FÍSICO ALEMÁN WILHELM ROENTGEN DESCUBRIÓ LOSRAYOS X, EN 1896 EL FÍSICO FRANCÉS HENRI BECQUERELDESCUBRIÓ LA RADIACTIVIDAD NATURAL Y AL AÑO SIGUIENTETHOMSON DEMOSTRÓ LA EXISTENCIA DEL ELECTRÓN.

Estos tres hallazgos indican claramente que el átomo era divisible yque de hecho estaba compuesto de partículas aún más pequeñas,una de las cuales era el electrón.

3. GRANDES DESCUBRIMIENTOS

3.1. LOS RAYOS X

Wilhelm Roentgen descubrió accidentalmente los rayos X.Trabajando en su laboratorio en Wurzburg, Alemania, observó quecada vez que encendía un tubo de rayos catódicos, se iluminaba unapantalla cubierta con una sal fluorescente que se encontraba cerca.

Roentgen sabía que los rayos catódicos no atravesaban el vidrio deltubo, pero, sin embargo, se producía un tipo de radiación invisibleque afectaba a la pantalla fluorescente.

La radiación era tan penetrante que incluso se podía colocar entre eltubo y la pantalla pedazos gruesos de madera, vidrio o metal y lapantalla seguía iluminándose.

Cuando puso su mano sobre la pantalla y el tubo pudo ver en lapantalla sus propios huesos. A estos misteriosos rayos los llamórayos X.

Después de algunos años de investigación, en 1912, Max von Lauedeterminó la naturaleza de estas radiaciones y demostró que eranondas electromagnéticas de frecuencia extremadamente alta.Roentgen recibió en 1901 el Premio Noble de Física.

Cuando un electrón de alta energía pasa cerca del núcleo se desvíadebido a la interacción electromagnética. Como consecuencia de esteproceso de desvío, el electrón pierde energía en forma de un fotón X,cuya energía (longitud de onda) puede tomar cualquier valor.

Un electrón de alta energía puede producir la salida de un electróncercano al núcleo. La vacante así producida se rellena por el salto deotro electrón de una capa superior, con mayor energía. Esadiferencia de energía entre niveles se transforma en radiación Xcaracterística, con una longitud de onda (energía) determinada.

3.2. LA RADIACTIVIDAD

En marzo de 1896, Henry Becquerel descubrió tambiénaccidentalmente la radiactividad cuando estudiaba un fenómenollamado fluorescencia (fenómeno que implica la emisión de luzcuando se iluminan algunos tipos de compuestos).

Observó una radiación invisible y penetrante emitidaespontáneamente por una sal de uranio. Becquerel demostró queestos rayos impresionaban placas fotográficas, ionizaban el aire y erandesviados por los campos eléctricos y magnéticos, lo que losdiferenciaba fundamentalmente de los rayos X.

Se observó que este fenómeno era característico de todas las salesde uranio estudiadas, con lo que se llegó a la conclusión de que erauna propiedad del átomo de uranio. Estos rayos se denominaron enun principio rayos B en honor a su descubridor.

Los átomos que constituyen la materia suelen ser generalmenteestables, pero alguno de ellos no lo son, se transformanespontáneamente en átomos de otros elementos con emisión deradiaciones que transportan energía. Es lo que se denominaradiactividad.

El descubrimiento de la radiactividad natural cambió la comprensióndel universo e influyó fuertemente en la evolución de losconocimientos científicos. Por sus numerosas aplicaciones, esteextraordinario descubrimiento también ha influido profundamenteen la historia y en la vida de los seres humanos.

En 1898, Pierre y Marie Curiedescubrieron otros dos elementos queemitían radiaciones parecidas. Alprimero de ellos le dieron el nombrede Polonio (Po) y al segundo lollamaron Radio (Ra). Este último es elmás activo de los radioelementospues emite 1,4 millones de veces másradiaciones que el uranio.

Por sus descubrimientos, Henry Becquerel, Marie Curie y PierreCurie recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física en 1903.

Dos físicos británicos, Ernest Rutherford y Fréderick Soddy,demostraron en 1902 que la radiactividad provoca unatransformación espontánea de un elemento químico en otro.

En 1911, Marie Curie logró aislar el radio (Ra) y determinar su masaatómica. En reconocimiento a su trabajo, ese año obtuvo susegundo Premio Nobel, esta vez de Química.

Hoy sabemos que los núcleos de los átomos radiactivos soninestables y se desintegran liberando energía y radiaciones. Lasradiaciones proceden exclusivamente del núcleo y pueden ser detres tipos:

a) Rayos alfa (): corresponde a núcleos de helio (dos protones ydos neutrones) que por su carga positiva se desvían bajo la acciónde un campo eléctrico. Son poco penetrantes.

a) Rayos beta (): son partículas con carga negativa (electrones) yde una gran velocidad (cercana a la de la luz). Se desvían bajo laacción de un campo eléctrico y son casi 100 veces máspenetrantes que las radiaciones alfa.

a) Rayos gamma (): al igual que los rayos X, corresponden aradiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia y elevadaenergía. No se desvían bajo la acción de un campo eléctrico y sonmucho más penetrantes que las radiaciones alfa y beta.

4. EL PROTÓN

En 1886 un científico alemánllamado Eugen Goldstein, a travésde sus experimentos con gases entubos de descarga con cátodosperforados, descubrió que ademásdel haz de electrones, se producíauna radiación de partículaspositivas en dirección opuesta queatravesaban el cátodo perforado.

Eugen Goldstein (1850-1930).Físico alemán que descubrió elprotón.

Los electrones de los rayos catódicos chocan con los átomos del gasresidual desalojando electrones y convirtiendo a estos átomos enpartículas con carga positiva. Estos son atraídos hacia el cátodoperforado formando los rayos canales o positivos.

Más tarde, estudiando la desviación de estas partículas frente a uncampo magnético, se encontró que la masa de las mismas no eraconstante, es decir, distintos gases producían partículas positivas dedistinta masa. A estos rayos se les llamó rayos canales. Laspartículas más livianas de los rayos canales correspondían alelemento de menor masa, el hidrógeno.

La carga de estas partículas y la del electrón eran iguales en valorabsoluto aunque sus masas fuesen muy diferentes. Su masa eraaproximadamente 2000 veces mayor que la del electrón. A estapartícula positiva que se obtenía cuando se usaba gas hidrógeno sele dio el nombre de protón y su carga es igual a la del electrón, perocon signo contrario.

La importancia del descubrimiento de Goldstein radica en quedemostró experimentalmente la existencia de partículas con cargapositiva formando parte de la materia. A esta carga positiva lallamó PROTÓN.

Carga del protón (H+) = +1,6 · 10–19 CMasa del protón (H+) = 1,6726 · 10–27 kg

La carga solo puede ser positiva o negativa y es una convención oacuerdo histórico la asignación del signo negativo a la carga delelectrón y del signo positivo a la carga del protón.

1911 E. Rutherford Demostró que los átomos

no eran macizos, como secreía, sino que están vacíosen su mayor parte y en sucentro hay un diminutonúcleo.

Dedujo que el átomo debíaestar formado por unacorteza con los electronesgirando alrededor de unnúcleo central cargadopositivamente.

5. MODELO ATÓMICO DE E. RUTHERFORD

El experimento de Rutherford, que pretendía comprobar lavalidez del modelo de atómico de Thomson, consistió enbombardear una lámina muy fina de oro (10-3 cm de espesor)con un haz de partículas , cuya carga eléctrica es positiva.

En la experiencia de Rutherford los elementos radiactivosservían como “cañones de partículas”. Si se coloca una porciónde material que contenga algún elemento radiactivo en unacaja forrada de plomo con un orificio, dado que el plomoabsorbe la radiación, casi todas las partículas que salendespedidas quedan absorbidas por el plomo, pero algunasatravesarán el agujero y formarán un delgado flujo departículas muy energéticas que pueden dirigirse contra unblanco.

- Unas pocas sufríandesviaciones tan fuertesque rebotaban

Al realizar este experimento observó que:-La mayoría de las partículas alfa pasaban sinser afectadas ni desviadas.

-Algunas atravesaban la lámina sufriendodesviaciones considerables.

Observe que sólocuando el rayo choca conel núcleo del átomo haydesviación.

Para poder explicar las grandes desviaciones que sufríanalgunas partículas α Rutherford supuso que toda la cargapositiva del átomo estaba concentrada en un pequeño núcleodonde residía además la casi totalidad de su masa.

En el átomo se pueden distinguirdos zonas:•El núcleo, es su parte central,que contiene toda la cargapositiva y casi la totalidad de lamasa del átomo.•La corteza, zona que rodea alnúcleo, donde están loselectrones cargadosnegativamente. Estos electronesgirarían en torno al núcleo ymantendrían grandes distanciasentre sí.

Rutherford sugirió que en los núcleos de los átomos tenían que existir otraspartículas de masa casi igual a la del protón, pero sin carga eléctrica, por lo quelas llamó neutrones. El neutrón no fue descubierto experimentalmente hasta1932 por Chadwick.

5.1. APORTES

5.2. LIMITACIONES

Este modelo considera el núcleo con carga positiva y sinpresencia de neutrones, partículas que hasta ese momento nohabían sido descubiertas.

El problema central de esta teoría es la idea de que los electronesemiten energía al girar en torno al núcleo; la emisión de energíase debe a que se mueven a gran velocidad, proceso que da comoresultado el colapso de los electrones sobre el núcleo debido a lapérdida de energía.

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